JP6088490B2 - MEMS device and manufacturing method thereof - Google Patents

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Description

本発明はMEMSデバイスとその製造方法に関し、特に、MEMSデバイスによって微小なセンサー等の微小デバイスの配線構造等を形成する際のデバイス構造およびその製造方法、さらにはMEMSデバイスによって微小デバイスの微細な流路構造等を形成する際のデバイス構造およびその製造方法に関する。   The present invention relates to a MEMS device and a manufacturing method thereof, and in particular, a device structure and a manufacturing method thereof when forming a wiring structure of a micro device such as a micro sensor by the MEMS device, and further, a micro device using a micro device. The present invention relates to a device structure for forming a path structure or the like and a manufacturing method thereof.

近年、MEMSデバイスは、半導体デバイスと比較してアスペクト比(加工深さ/開口幅の比)が高い微小構造体が形成できる利点から、圧力センサーおよび加速度センサー等の物理センサー、静電力や圧電方式を適用したマイクロミラーおよびマイクロアクチュエータ等の機構部、インクジェット用ノズル等の流体デバイスに幅広く適用されている。   In recent years, MEMS devices have the advantage of being able to form microstructures with higher aspect ratios (ratio of processing depth / opening width) than semiconductor devices, so physical sensors such as pressure sensors and acceleration sensors, electrostatic force and piezoelectric methods It is widely applied to mechanism devices such as micromirrors and microactuators to which is applied, and fluid devices such as inkjet nozzles.

これらの微小構造体には主にシリコン等の半導体材料が適用されて加工、製作されている。その加工法は、例えばシリコン結晶面のエッチング速度の差を利用して構造体を形成する異方性ウエットエッチング法、および高アスペクト比の溝を加工できるICP(Induction Coupled Plasma)方式のRIE(Reactive Ion Etching)装置を適用したドライエッチング法がある。MEMSデバイスの加工により、シリコンからなる立体構造および可動構造を形成することが可能であり、加工精度も機械加工と比較して優れているため、各種構造体に適用することができる。   These microstructures are processed and manufactured mainly by applying a semiconductor material such as silicon. The processing methods include, for example, an anisotropic wet etching method that forms a structure using the difference in etching rate of the silicon crystal surface, and an RIE (Reactive) of ICP (Induction Coupled Plasma) method that can process grooves with a high aspect ratio. There is a dry etching method using Ion Etching). By processing the MEMS device, it is possible to form a three-dimensional structure and a movable structure made of silicon, and since the processing accuracy is superior to that of machining, it can be applied to various structures.

ドライエッチング法と異方性ウエットエッチング法を組み合わせて加工する方法が、非特許文献1に記載されている。この文献ではドライエッチング法で加工した穴側面に形成されたスキャロップをなめらかに加工するため、イソプロピルアルコール(IPA)を混合した水酸化カリウム水溶液を適用してエッチングを行い穴の側面の表面粗さを改善している。この方法を適用した構造体は、シリコン構造体からなるモールドの型に適用されている。   Non-Patent Document 1 describes a method of processing by combining a dry etching method and an anisotropic wet etching method. In this document, in order to smoothly process the scallop formed on the side surface of the hole processed by the dry etching method, etching is performed by applying an aqueous solution of potassium hydroxide mixed with isopropyl alcohol (IPA) to reduce the surface roughness of the side surface of the hole. It has improved. A structure to which this method is applied is applied to a mold of a silicon structure.

MEMS流体デバイスでは、複数のシリコンノズルを配置すると液の撹拌や混合などに有利である。シリコンノズル構造体などの微細構造を形成するには、貫通孔の先端部が細孔形状となることが好ましい。従来の構造では平面上にノズル形状をパターニングして、平面的に部分エッチングすることによって溝を形成し、平面的に適用する方式が一般的である。しかし、近年では、インクジェットプリンター用のノズルとして立体的な構造も必要とされている。貫通孔を一括して製造する方法として特許文献1がある。特許文献1は、垂直孔を加工できるドライエッチング法において多段マスクを適用して、テーパ形状の開口部の先端に連続して垂直孔形状の開口部を形成し、貫通孔が設けられた構造体を一括して製造する方法が記載されている。より詳細には開口部から斜面が形成され、孔の先端部が垂直な構造となっている。   In a MEMS fluid device, it is advantageous to agitate and mix liquids if a plurality of silicon nozzles are arranged. In order to form a fine structure such as a silicon nozzle structure, it is preferable that the tip of the through hole has a pore shape. In a conventional structure, a nozzle shape is generally patterned on a flat surface, and a groove is formed by partial etching on a flat surface, which is generally applied in a planar manner. However, in recent years, a three-dimensional structure is also required as a nozzle for an ink jet printer. There exists patent document 1 as a method of manufacturing a through-hole collectively. Patent Document 1 describes a structure in which a multi-stage mask is applied in a dry etching method capable of processing a vertical hole, a vertical hole-shaped opening is formed continuously at the tip of a tapered opening, and a through-hole is provided Describes a method of manufacturing a batch. More specifically, a slope is formed from the opening, and the tip of the hole is vertical.

また、MEMSセンサーおよびアクチュエータでは、個別もしくは複数の配線をデバイス基板から引き出すことによって、各種センサーおよびアクチュエータとして可動またはセンシング機能を有することができる。これらのMEMS構造体は、主に可動部もしくはセンシング部が加工されたデバイス基板と電気的な信号のやり取りを行う電極基板に分かれる。また、場合によっては蓋などのキャップ基板が含まれる構造もある。   In addition, MEMS sensors and actuators can have a movable or sensing function as various sensors and actuators by pulling individual or plural wires from the device substrate. These MEMS structures are mainly divided into electrode substrates for exchanging electrical signals with a device substrate on which a movable part or a sensing part is processed. In some cases, a cap substrate such as a lid is included.

MEMS構造体の配線引き出し方法は、一般的にデバイス基板から水平に引き出す方式(横方向)と垂直(縦方向)に引き出す方式が考えられる。特許文献2には、垂直に配線を引き出す方式が記載されており、デバイス基板に作られた構造体とは離れた位置に貫通配線構造が形成されている。   As a method for pulling out the wiring of the MEMS structure, there are generally a method of pulling out horizontally from the device substrate (lateral direction) and a method of pulling out vertically (vertical direction). Patent Document 2 describes a method in which wiring is drawn vertically, and a through wiring structure is formed at a position away from a structure formed on a device substrate.

特開2009−44031号公報JP 2009-44031 A 特開2009−59941号公報JP 2009-59941 A

J.Micromech.Microeng.13(2003)S57-S61J.Micromech.Microeng.13 (2003) S57-S61

特許文献1の様に、MEMS流体デバイスにおいて、貫通孔の先端に細孔ノズル構造体を形成する方法は、基板表面から斜面を有する構造体を形成し、その後垂直な孔を有する構造体を形成することによって実現される。   As in Patent Document 1, in a MEMS fluid device, a method of forming a pore nozzle structure at the tip of a through-hole forms a structure having a slope from the substrate surface, and then forms a structure having a vertical hole. It is realized by doing.

特許文献1では、貫通孔の形状が先端において細孔となっているが、開口部からは斜面形状の孔となっており、底部周辺は垂直な側面と平面的な底面からなる孔を形成している。この構造では開口部から斜面が広がっており、高密度に貫通孔を配置することは困難でMEMSデバイスの小型化には限界があると推測される。また、この接合構造体では位置ずれなどが発生するため、性能を劣化させる可能性があり、小型化は益々困難である。また、シリコンの異方性ウエットエッチングによって制作されたデバイス構造による(111)結晶面からなる斜面と比較して、角度的に鋭角になっていると思われるが、形状的には大きな差異は認められないと考えられる。   In Patent Document 1, the shape of the through hole is a pore at the tip, but the opening is a sloped hole, and the periphery of the bottom forms a hole composed of a vertical side surface and a planar bottom surface. ing. In this structure, the slope spreads from the opening, and it is difficult to arrange the through holes at a high density, and it is estimated that there is a limit to downsizing the MEMS device. Moreover, since this misalignment or the like occurs in this bonded structure, there is a possibility that the performance may be deteriorated, and miniaturization is increasingly difficult. In addition, it seems to be an acute angle compared to the (111) crystal plane slope of the device structure produced by anisotropic wet etching of silicon, but there are significant differences in shape. It is considered impossible.

この構造の製作には、異方性ウエットエッチング法を適用して斜面を形成し、垂直な孔を有する構造体と接合によって組み合わせる構造が考えられる。そのためには、表面側から水酸化カリウム水溶液などの異方性ウエットエッチング加工によって表面側を形成し、裏面側からドライエッチング加工によって垂直な溝を形成しても同様の形状は加工できるが、位置合わせや連続加工の点で難しくなる。   For manufacturing this structure, an anisotropic wet etching method is applied to form a slope, and a structure that is combined with a structure having a vertical hole by bonding is conceivable. For that purpose, the same shape can be processed even if the front side is formed by anisotropic wet etching process such as aqueous potassium hydroxide from the front side and the vertical groove is formed by dry etching process from the back side. It becomes difficult in terms of alignment and continuous processing.

さらに、特許文献1では斜面の加工にドライエッチング法を適用しているため、形状の制御が困難であるとことが懸念される。   Further, in Patent Document 1, since the dry etching method is applied to the processing of the slope, there is a concern that it is difficult to control the shape.

デバイス基板からの電極取り出しは、可動部またはセンシング部が形成されたデバイス基板から、電極基板に形成された貫通孔上に絶縁物を形成し、その上に電気的な導体を配置して形成された取り出し配線を介して行う方法が有利である。特に、貫通孔の先端が先細りした構造体は、そこに電気的な配線を行うことによって、MEMSデバイスから垂直に配線を引き出す構造体、例えば、電極基板として適用でき、微小構造の製作上有利である。   Electrode removal from the device substrate is formed by forming an insulator on the through-hole formed in the electrode substrate from the device substrate on which the movable part or sensing part is formed, and placing an electrical conductor on it. It is advantageous to carry out the method via a lead-out wiring. In particular, a structure with a tapered tip of the through hole can be applied as a structure that pulls out the wiring vertically from the MEMS device, for example, an electrode substrate by performing electrical wiring there, which is advantageous in manufacturing a microstructure. is there.

デバイス基板から垂直に電極取り出しを行う構造は、電極パッドをMEMSデバイスの上に配置することができる点から寸法を小さくできる。この構造では1枚のシリコン基板から取り出せるチップ数も増加することにつながり、コスト的なメリットがある。   The structure in which the electrodes are extracted vertically from the device substrate can be reduced in size because the electrode pads can be disposed on the MEMS device. This structure leads to an increase in the number of chips that can be taken out from a single silicon substrate, and has a cost advantage.

デバイス基板から垂直に電極取り出しを行う方法は、シリコンの異方性ウエットエッチングを適用した(111)結晶面の斜面を形成し、その斜面に沿って配線を形成する方式およびドライエッチング法によって垂直な穴を形成し、その穴をリンなどがドープされたPoly-シリコン(ポリシリコン)で埋め込むことによって配線を形成する2つの方式が考えられる。   The method of extracting electrodes vertically from the device substrate is a method of forming a (111) crystal plane slope using anisotropic wet etching of silicon, and forming a wiring along the slope and a dry etching method. There are two methods for forming a wiring by forming a hole and filling the hole with poly-silicon (polysilicon) doped with phosphorus or the like.

シリコンの異方性ウエットエッチングではMEMSデバイス表面に形成される寸法は、電極基板の厚さの約1.4倍開口部が広がることになる。そのため、開口部以外の部分に外部との電気的なやり取りを行う電極パッドを形成しなければならないため、電極パッド面積は大きくなる。   In the anisotropic wet etching of silicon, the dimension formed on the surface of the MEMS device is widened by about 1.4 times the thickness of the electrode substrate. For this reason, an electrode pad that performs electrical exchange with the outside must be formed in a portion other than the opening, and the electrode pad area increases.

また、ドライエッチング法で形成する貫通孔の構造ではアスペクト比は20程度が限界であり、基板が厚くなると孔径も必然的に大きくなる。また、孔径をすべて埋め込むにも限界があることから、厚い基板を適用することが困難となり、加工も複雑となることが懸念される。電極基板が薄い場合には、最終的に実施されるパッケージ工程において樹脂成形圧力によってデバイスが変形し、性能が劣化する可能性がある。   Further, in the structure of the through hole formed by the dry etching method, the limit of the aspect ratio is about 20, and the hole diameter inevitably increases as the substrate becomes thicker. In addition, since there is a limit in embedding all the hole diameters, it is difficult to apply a thick substrate, and there is a concern that processing may be complicated. When the electrode substrate is thin, the device may be deformed by the resin molding pressure in the package process to be finally performed, and the performance may be deteriorated.

電極基板において、デバイス基板との電気的な接触部を小さくできる構造は、可動部またはセンシング部の面積を大きく形成できる観点から、デバイスの小型化にもつながる。   In the electrode substrate, the structure capable of reducing the electrical contact portion with the device substrate leads to the miniaturization of the device from the viewpoint that the area of the movable portion or the sensing portion can be increased.

特許文献2には貫通配線を垂直に引き出す構造が記載されているが、貫通配線の位置はデバイス構造体の外側に配置されており、チップの小型化には限界があると考えられる。   Patent Document 2 describes a structure in which the through wiring is drawn out vertically, but the position of the through wiring is arranged outside the device structure, and it is considered that there is a limit to downsizing of the chip.

また、特許文献1の構造に配線構造を形成しても、開口部から斜面が広がっていることからMEMSデバイスの小型化には限界があると予測される。   Further, even if the wiring structure is formed in the structure of Patent Document 1, it is predicted that there is a limit to downsizing of the MEMS device because the slope extends from the opening.

そこで本発明の目的は、MEMSデバイスの小型化に適した配線構造等やノズル構造等を実現できるデバイス構造を有するMEMSデバイスの構造とその製造方法を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a structure of a MEMS device having a device structure capable of realizing a wiring structure suitable for miniaturization of the MEMS device, a nozzle structure, and the like, and a manufacturing method thereof.

本発明は、開口部から側面がほぼ垂直に伸びる縦孔の先端部が斜面となって先細りした構造の縦孔、特に貫通孔を有するMEMSデバイスおよびその製造方法を提供する。   The present invention provides a MEMS device having a longitudinal hole, particularly a through-hole, having a structure in which a tip end portion of a longitudinal hole whose side surface extends substantially vertically from an opening is a slope, and a manufacturing method thereof.

本発明の一例によると、貫通孔を形成するために、(100)結晶面を平面に有するシリコン基板に、任意の寸法の四角形マスクパターニングを配置する工程、このマスクを介して、高アスペクト比が加工できるドライエッチング加工によって任意の深さまで四角形パターンのエッチング加工を行う工程、およびイソプロピルアルコールが混合された水酸化カリウム水溶液やテトラメチルアンモニウムハイドロオキサイド水溶液(TMAH)等のアルカリ性エッチャントによってウエットエッチングを行う工程を含む加工によって、開口部より側面が垂直な縦孔を形成し、その先端部に先細りの孔を形成することにより、側面が垂直な縦孔に先端が先細りの孔を連通させた貫通孔構造を提供できる。   According to an example of the present invention, in order to form a through-hole, a step of arranging a rectangular mask pattern of an arbitrary size on a silicon substrate having a (100) crystal plane in a plane, a high aspect ratio is obtained through the mask. A process of etching a rectangular pattern to an arbitrary depth by dry etching that can be processed, and a process of performing wet etching with an alkaline etchant such as an aqueous solution of potassium hydroxide or aqueous solution of tetramethylammonium hydroxide (TMAH) mixed with isopropyl alcohol A through-hole structure in which a vertical hole whose side surface is perpendicular to the opening is formed by machining including a taper and a hole whose tip is tapered is connected to the vertical hole whose side is vertical. Can provide.

また、本発明の縦孔は、垂直側面が(011)であり、先端部の斜面の結晶面が(111)結晶面となることから、貫通孔先端部の角度は、平面部との角度が約54.7度となっている。なお、縦孔の垂直側面は垂直とするが、ほぼ垂直であれば良く、シリコンの(011)面が異方性エッチングで垂直側面として形成されることを利用するが、他のエッチング方法によりほぼ垂直な縦孔が形成できれば良い。また、本発明の縦孔は貫通孔でなくとも良く、非貫通孔としての利用も考えられる。
In addition, since the vertical hole of the present invention has a vertical side surface of ( 0 1 1 ) and the crystal surface of the inclined surface of the tip portion is a (111) crystal surface, the angle of the through hole tip portion is The angle is about 54.7 degrees. Although the vertical side surface of the vertical hole is vertical, it may be almost vertical, and the fact that the ( 0 1 1 ) surface of silicon is formed as a vertical side surface by anisotropic etching is used. Therefore, it is sufficient if a substantially vertical vertical hole can be formed. Moreover, the vertical hole of this invention may not be a through-hole, and the utilization as a non-through-hole is also considered.

前記、貫通孔を高密度に配置することによって形状精度に優れたノズル構造体ができるため、MEMSノズルもしくはMEMS流体デバイスにも適用できる。   Since the nozzle structure having excellent shape accuracy can be obtained by arranging the through holes at a high density, it can be applied to a MEMS nozzle or a MEMS fluid device.

さらに、貫通孔に酸化膜などの絶縁膜を形成して、その上に導通材料からなる電気的配線を行うことによってMEMSデバイスの電極基板としても適用できる。本発明では、貫通孔は開口部からほぼ垂直に形成されており、先端部が小さく形成できることによって、デバイス構造またはセンシング構造との電気的な接点を小さくできることから小型化に寄与できる。   Furthermore, an insulating film such as an oxide film is formed in the through hole, and an electrical wiring made of a conductive material is formed thereon, so that it can be applied as an electrode substrate of a MEMS device. In the present invention, the through-hole is formed substantially perpendicularly from the opening, and the tip can be formed small, so that the electrical contact with the device structure or the sensing structure can be reduced, thereby contributing to downsizing.

本発明のMEMSデバイスでは、貫通孔の先細り部分の先端は、面積が小さくなるため、容易に、はんだ材料による封止することが可能であり、デバイス基板内の圧力を調圧しながら封止することが可能である。   In the MEMS device of the present invention, since the tip of the tapered portion of the through hole has a small area, it can be easily sealed with a solder material, and sealing is performed while adjusting the pressure in the device substrate. Is possible.

また、貫通孔の先細り部分周辺部は、面積が小さいことから、はんだ封止以外に、金とすずの合金層からなる接合材料によって形成されていても良い。   In addition, since the area around the tapered portion of the through hole is small, it may be formed of a bonding material made of an alloy layer of gold and tin in addition to solder sealing.

2枚の電極基板を積層して、開口部同士を接合によって、電気的に、かつ、構造的につながっている構造では、デバイス基板との接触を小さく、かつ、電極基板表面の電極パッドの寸法も小さく形成できる。また、多層とすることで電極基板を厚く形成することが可能となり、樹脂パッケージ形成時の圧力にも十分、対応することができ、変形などの不具合は発生しない。   In a structure in which two electrode substrates are stacked and the openings are electrically and structurally connected by bonding, the contact with the device substrate is small, and the dimensions of the electrode pads on the electrode substrate surface Can also be formed small. In addition, the multilayer structure enables the electrode substrate to be formed thick, can sufficiently cope with the pressure at the time of forming the resin package, and does not cause problems such as deformation.

以上より、本発明のMEMSデバイスは、第一の表面と第二の表面を有する半導体基板と、該第一の表面から半導体基板中に形成された孔であって、第一の表面の開口部からの側面がほぼ垂直面であり内部において斜面となって孔径が小さくなっている縦孔とを有するデバイス構造を用いたことを特徴とするMEMSデバイスであり、特に、上記縦孔が上記第一の表面から上記第二の表面に至る貫通孔であることを特徴とするMEMSデバイスである。   As described above, the MEMS device of the present invention includes a semiconductor substrate having a first surface and a second surface, and a hole formed in the semiconductor substrate from the first surface, wherein the first surface has an opening. The MEMS device is characterized by using a device structure having a substantially vertical surface and a vertical hole having a small hole diameter as an inclined surface inside, and in particular, the vertical hole is the first The MEMS device is a through-hole extending from the surface to the second surface.

また、本発明のMEMSデバイスの製造方法は、半導体基板にマスクパターンを配置する工程と、該マスクを介して、ドライエッチング加工によって任意の深さまでエッチング加工を行い、側面がほぼ垂直な縦孔を形成する工程と、該縦孔に対して異方性ウエットエッチング加工を行い縦孔の底部近傍に斜面に囲まれた先細り形状の連通孔を形成する工程とを有する縦孔の製造工程により、前記半導体基板に縦孔、特に貫通孔を有するデバイス構造を精度よく製作することを特徴とするMEMSデバイスの製造方法である。   In addition, the MEMS device manufacturing method of the present invention includes a step of arranging a mask pattern on a semiconductor substrate, and through the mask, etching is performed to an arbitrary depth by dry etching to form a vertical hole whose side surface is substantially vertical. A step of forming a vertical hole, and a step of forming a tapered communication hole surrounded by a slope near the bottom of the vertical hole by performing anisotropic wet etching on the vertical hole, A MEMS device manufacturing method characterized in that a device structure having a vertical hole, particularly a through hole, is accurately manufactured in a semiconductor substrate.

本発明によれば、MEMSデバイス構造体において貫通孔の先端部が先細り形状となっている構造を形成できることから、MEMS流体デバイスの微細なノズル等が構成でき、また先細り形状の貫通孔に配線構造を形成できることから、微細な配線構造を有するMEMSセンサーおよびアクチュエータ等を構成できる。   According to the present invention, it is possible to form a structure in which the tip portion of the through hole is tapered in the MEMS device structure, so that a fine nozzle or the like of the MEMS fluid device can be configured, and a wiring structure is formed in the tapered through hole. Therefore, a MEMS sensor and an actuator having a fine wiring structure can be configured.

また、本発明の製造方法によれば、半導体基板の主表面からのドライエッチングに引き続いて異方性ウエットエッチングを行うことにより、縦孔の底部に斜面で囲まれた先細り形状の孔を連通して製作することができる。   In addition, according to the manufacturing method of the present invention, by performing anisotropic wet etching following dry etching from the main surface of the semiconductor substrate, the tapered hole surrounded by the slope is communicated with the bottom of the vertical hole. Can be produced.

このように、本発明によれば、小型化の容易なMEMSデバイスおよびその製造方法を提供することができる。   Thus, according to the present invention, it is possible to provide a MEMS device that can be easily miniaturized and a method for manufacturing the same.

本発明の実施例の貫通孔形状を説明する断面図Sectional drawing explaining the through-hole shape of the Example of this invention 本発明の実施例の貫通孔形状を説明する詳細断面図Detailed sectional view for explaining the shape of the through hole of the embodiment of the present invention 本発明の実施例の貫通孔形状を説明するプロセス図Process diagram for explaining the shape of a through hole according to an embodiment of the present invention 本発明の実施例のMEMSノズルデバイスを説明する断面図Sectional drawing explaining the MEMS nozzle device of the Example of this invention 本発明の実施例のMEMSデバイスを説明する断面図Sectional drawing explaining the MEMS device of the Example of this invention 本発明の実施例の別のMEMSデバイスを説明する断面図Sectional drawing explaining another MEMS device of the Example of this invention 従来の貫通孔形状を説明するプロセス図Process diagram explaining conventional through-hole shape 従来の異方性ウエットエッチング法によるデバイス構造を説明する断面図Sectional drawing explaining the device structure by the conventional anisotropic wet etching method 従来のドライエッチング法によるデバイス構造を説明する断面図Sectional drawing explaining the device structure by the conventional dry etching method

以下、本発明の実施例を図面によって説明する。なお、以下に説明する実施例は実施形態を説明する代表例であって、これら実施例で本発明の構成が何ら制限されるものではない。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the Example described below is a representative example for explaining the embodiment, and the configuration of the present invention is not limited at all by these Examples.

図1および図2を用いて本発明の実施例による貫通孔形状を説明する。図1より、シリコン基板1に形成された貫通孔2の形状は、シリコン基板の表面側1aより、垂直形状を維持しながら底面側へつながっており、シリコン基板裏面側1bで、先が細く形成された形状となっている。なお、本発明では貫通孔の先端部は先細りした形状となっているが、最先端部の開口幅は用途によって自由にコントロールすることができる。   The shape of the through hole according to the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1 and FIG. As shown in FIG. 1, the shape of the through hole 2 formed in the silicon substrate 1 is connected to the bottom surface side while maintaining the vertical shape from the front surface side 1a of the silicon substrate, and is formed to have a taper on the back surface side 1b of the silicon substrate. It has become a shape. In the present invention, the tip end portion of the through hole is tapered, but the opening width of the most advanced portion can be freely controlled depending on the application.

次に図2を用いて結晶方位について説明する。シリコン基板には1aおよび1b平面部は(100)結晶方位となっており、貫通孔の垂直な側面2aは(011)結晶方位と、斜面部2bは(111)結晶方位となっている。そのため、貫通孔先端部とシリコン基板平面部との角度3は約54.7度となる。本発明の貫通孔は、垂直な側面が(011)結晶面で囲まれ、貫通孔の底部斜面は(111)結晶面で囲まれていることから開口部の幅D2は次の式1で示すことができる。言い換えれば本発明の貫通孔形状は次式の関係が成立する。

(式1)
D2=(D1×√2)+D3

次に貫通孔の製造プロセスについて図3を用いて説明する。はじめにシリコン基板1を準備する[図3(a)]。シリコン基板の両面に熱酸化膜4を形成する[図3(b)]。酸化膜厚は、その後、フォトリソプロセスによって、レジスト塗布、現像、露光によって貫通孔の開口部5だけ熱酸化膜を除去する[図3(c)]。前記開口部5の形状は4角形が好ましく、その他の形状では側面に多種の結晶面が出現するため、形状の安定性に欠ける。本実施例では、一辺が50μmの4角形の開口パターンを使用した。
Next, the crystal orientation will be described with reference to FIG. In the silicon substrate, the plane portions 1a and 1b have a (100) crystal orientation, the vertical side surface 2a of the through-hole has a ( 0 1 1 ) crystal orientation, and the slope 2b has a (111) crystal orientation. . Therefore, the angle 3 between the tip of the through hole and the flat portion of the silicon substrate is about 54.7 degrees. In the through hole of the present invention, the vertical side surface is surrounded by the ( 0 1 1 ) crystal plane, and the bottom slope of the through hole is surrounded by the (111) crystal plane. Can be shown. In other words, the through hole shape of the present invention has the following relationship.

(Formula 1)
D2 = (D1 x √2) + D3

Next, the manufacturing process of the through hole will be described with reference to FIG. First, prepare the silicon substrate 1 [Fig. 3 (a)]. Thermal oxide films 4 are formed on both sides of the silicon substrate [FIG. 3 (b)]. After that, the oxide film is removed by the photolithographic process by removing the thermal oxide film only in the opening 5 of the through hole by resist coating, development and exposure [FIG. 3 (c)]. The shape of the opening 5 is preferably a quadrangular shape, and in other shapes, various crystal planes appear on the side surfaces, so that the shape stability is lacking. In this example, a square opening pattern having a side of 50 μm was used.

次に、高アスペクト比の溝を加工できるICP方式のRIE装置を適用したドライエッチング法を適用して垂直な溝6を形成する[図3(d)]。ドライエッチング方法は、非特許文献1に開示されたボッシュプロセス法が適している。このボッシュプロセス法では、フッ化硫黄系のSF6等のガスを用いたドライエッチングとフッ化炭素系のCHF3やC4F8等のガスを用いたパッシベーションを交互に繰り返すことにより異方性エッチングを行う方法である。本実施例では、ドライエッチングプロセスで、SF6ガスを用い、圧力3Pa、流量300sccmにて7秒のドライエッチングを行い、パッシベーションプロセスで、C4F8ガスを用い、圧力1.4Pa、流量200sccmにて4秒のパッシベーションを行い、両プロセスを交互に56分間行った。また、基板温度は20°Cに保持し、ドライエッチングプロセスにおける主出力は1000W、バイアス出力は80Wとした。なお、ドライエッチングに使用されるガス種は上記実施例のものに限定されるものではない。   Next, a vertical groove 6 is formed by applying a dry etching method using an ICP type RIE apparatus capable of processing a groove with a high aspect ratio [FIG. 3 (d)]. As the dry etching method, the Bosch process method disclosed in Non-Patent Document 1 is suitable. In this Bosch process method, anisotropic etching is performed by alternately repeating dry etching using a gas such as sulfur fluoride-based SF6 and passivation using a gas such as fluorocarbon-based CHF3 or C4F8. is there. In this example, SF6 gas is used in the dry etching process for 7 seconds at a pressure of 3 Pa and a flow rate of 300 sccm, and C4F8 gas is used in the passivation process for 4 seconds at a pressure of 1.4 Pa and a flow rate of 200 sccm. And both processes were carried out alternately for 56 minutes. The substrate temperature was kept at 20 ° C., the main output in the dry etching process was 1000 W, and the bias output was 80 W. The gas species used for dry etching are not limited to those in the above embodiments.

最後にイソプロピルアルコール(IPA)を過飽和状態で混合した水酸化カリウム水溶液を適用して異方性ウエットエッチングを実施する。40w%のKOH水溶液にIPAを過飽和に混合し、67°Cで異方性ウエットエッチングを行った。IPAを過飽和としたのは、IPAが蒸発して減少するのを補うためである。この異方性ウエットエッチングにより、ドライエッチングで加工した穴の底部は異方性エッチングによって斜面を形成し、本発明の貫通孔2を形成できる[図3(e)]。   Finally, anisotropic wet etching is performed by applying a potassium hydroxide aqueous solution in which isopropyl alcohol (IPA) is mixed in a supersaturated state. IPA was supersaturated in 40% by weight KOH aqueous solution, and anisotropic wet etching was performed at 67 ° C. The reason why the IPA is oversaturated is to compensate for the evaporation and decrease of the IPA. By this anisotropic wet etching, the bottom of the hole processed by dry etching forms a slope by anisotropic etching, and the through hole 2 of the present invention can be formed [FIG. 3 (e)].

本発明の実施例では、ドライエッチング後に水酸化カリウム水溶液にイソプロピルアル
コールを添加してウエットエッチングを実施している。これにより、(011)結晶面が、
(100)結晶面と比較してエッチング速度が遅くなる性質を利用している。
In an embodiment of the present invention, wet etching is performed by adding isopropyl alcohol to a potassium hydroxide aqueous solution after dry etching. As a result, the ( 0 1 1 ) crystal plane becomes
It utilizes the property that the etching rate is slower than that of the (100) crystal plane.

図7(a)から図7(d)までの工程は、図3(a)から図3(d)までと同様となるが、一般的には図7に示すように、イソプロピルアルコールを添加しない水酸化カリウム水溶液を適用した場合には、図7(e)に示すように貫通孔の内面はすべて(111)結晶面で覆われ、貫通孔の側面がへこんだ構造となる。   The process from FIG. 7 (a) to FIG. 7 (d) is the same as that from FIG. 3 (a) to FIG. 3 (d), but generally no isopropyl alcohol is added as shown in FIG. When the potassium hydroxide aqueous solution is applied, as shown in FIG. 7 (e), the inner surface of the through hole is all covered with the (111) crystal face, and the side surface of the through hole is recessed.

本発明では微細なノズルデバイスを製造することが可能である。図4は本発明の実施例のMEMSノズルデバイスを説明する断面図である。図4ではインクを吐出する産業用インクジェットプリンタの一例を示した。インクタンク16より、ポンプ15によって供給されたインクはインク槽14に供給され、圧電素子17の振動によって、インクはノズルデバイス13内に配置された本発明の形状の貫通孔2を通過して、ノズルデバイス13からインクがインク射出方向18に射出される構成となっている。本発明のノズルデバイスは産業用だけでなく、民生用としても適用することが可能である。   In the present invention, a fine nozzle device can be manufactured. FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a MEMS nozzle device according to an embodiment of the present invention. FIG. 4 shows an example of an industrial inkjet printer that ejects ink. The ink supplied from the ink tank 16 by the pump 15 is supplied to the ink tank 14, and the vibration of the piezoelectric element 17 causes the ink to pass through the through hole 2 having the shape of the present invention disposed in the nozzle device 13, Ink is ejected from the nozzle device 13 in the ink ejection direction 18. The nozzle device of the present invention can be applied not only for industrial use but also for consumer use.

より詳細には、産業用インクジェットプリンタは、連続的に形成した液滴を偏向して使用するコンティニュアスインクジェット方式があり、被印字物のマーキングには速乾性を有する溶剤系のインクが適用できる。図4の構成に帯電電極および偏向電極を組み合わせることによって、任意のインクをマーキングすることができる。   More specifically, industrial ink jet printers have a continuous ink jet system in which continuously formed droplets are deflected and used, and solvent-based ink having quick drying properties can be applied to the marking of printed matter. . Arbitrary ink can be marked by combining a charging electrode and a deflection electrode in the configuration of FIG.

本発明の実施例のノズルデバイスは、貫通孔2の形状がエッチング面で構成されており、微細かつ高精度に作ることが可能である点から、インクの吐出形状もそろえることができる。   In the nozzle device according to the embodiment of the present invention, the shape of the through-hole 2 is constituted by an etching surface, and the shape can be made finely and with high accuracy.

図4では断面図で示しているが、用途によっては3次元的に配置しても良い。また、貫通孔はMEMS技術を適用して製造している点から高密度に配置することも可能である。   Although shown in a sectional view in FIG. 4, it may be arranged three-dimensionally depending on the application. Further, the through holes can be arranged at a high density because they are manufactured by applying the MEMS technology.

この他に、本発明の貫通孔構造は、MEMS流体デバイスにおける混合または撹拌などにも適用することができる。
本発明では、シリコン基板に形成した貫通孔に酸化膜などの絶縁物を形成し、その上に電気的に導通できる配線を形成することができることからMEMSデバイスの配線構造へ応用することができる。
In addition, the through-hole structure of the present invention can be applied to mixing or stirring in a MEMS fluid device.
In the present invention, an insulator such as an oxide film can be formed in a through-hole formed in a silicon substrate, and a wiring that can be electrically conducted can be formed thereon, so that it can be applied to a wiring structure of a MEMS device.

図5には本発明の実施例のMEMSデバイスとして、センサデバイスの一例を説明する図を示す。センサデバイスは駆動部もしくはセンシング部が形成されたデバイス基板7の上に電気的なやり取りを行うための電極基板19と下にキャップ基板8を配置することによって構成できる。   FIG. 5 is a diagram illustrating an example of a sensor device as a MEMS device according to an embodiment of the present invention. The sensor device can be configured by disposing an electrode substrate 19 for performing electrical exchange on a device substrate 7 on which a drive unit or a sensing unit is formed and a cap substrate 8 below.

電極基板19には本発明の貫通孔2が形成されており、熱酸化膜4を介して任意のパターンで金属配線9aと電極パッド10が連続してつながっている。また、電極基板19の裏面側には任意の金属配線パターン9bが形成されている。デバイス基板7は電極基板19およびギャップ基板8と接合層11によって接合されており、デバイス基板の中は真空もしくは大気で封止された状態となっている。   The through hole 2 of the present invention is formed in the electrode substrate 19, and the metal wiring 9a and the electrode pad 10 are continuously connected in an arbitrary pattern via the thermal oxide film 4. An arbitrary metal wiring pattern 9b is formed on the back side of the electrode substrate 19. The device substrate 7 is bonded to the electrode substrate 19 and the gap substrate 8 by the bonding layer 11, and the device substrate is sealed in a vacuum or air.

一例として、デバイス基板の構造体7aは、くし歯型センサーの固定くし歯等の構造体であり、電気的に金属配線9aがつながっており、電極パッド10とつながっている構造となっている。デバイス基板の構造体7bは、くし歯センサーの可動用くし歯等の構造体であり、空中に浮いた構造となっており、可動することができる。これにより、加速度や角速度が外部から印加された場合に駆動され、金属配線との容量変化を把握することができる。また、静電気力を適用して駆動させることも可能となる。   As an example, the structure 7a of the device substrate is a structure such as a fixed comb of a comb-shaped sensor, and has a structure in which the metal wiring 9a is electrically connected and is connected to the electrode pad 10. The structure 7b of the device substrate is a structure such as a comb for moving the comb sensor, has a structure floating in the air, and can move. Thereby, it is driven when acceleration or angular velocity is applied from the outside, and a change in capacitance with the metal wiring can be grasped. In addition, it can be driven by applying electrostatic force.

本発明の貫通孔は先端部が先細りの斜面構造となっている。そのため、金属配線の形成は容易にスパッタ装置または蒸着装置などによって形成することが可能となる。また、CVD装置などによって形成しても良い。これにより、膜厚は厚く形成しなくとも、形状に沿った形で、配線を形成することができる。   The through hole of the present invention has a slope structure with a tapered tip. Therefore, the metal wiring can be easily formed by a sputtering apparatus or a vapor deposition apparatus. Further, it may be formed by a CVD apparatus or the like. As a result, the wiring can be formed in conformity with the shape without forming the film thick.

金属配線材料は密着性を考慮して下地膜としてクロムやチタンを配置し、その上に金を配置すれば良い。また、熱的な耐熱性を向上させるためにクロムやチタンと金との間に白金やニッケルを配置しても良い。配線材料は前記に限らず、アルミニウムおよびドープされたシリコンなどの配線材料を適用しても良い。   In consideration of adhesion, the metal wiring material may be formed by arranging chromium or titanium as a base film and gold on the base film. Moreover, in order to improve thermal heat resistance, you may arrange | position platinum and nickel between chromium, titanium, and gold | metal | money. The wiring material is not limited to the above, and wiring materials such as aluminum and doped silicon may be applied.

また、デバイス基板の中は真空もしくは大気で封止されるため、デバイス基板の封止方法としては、貫通孔の先端部にはんだボールを挿入し、前記はんだボールを溶解することによって封止することが可能である。さらに接合によって導通させる構造を用いて封止しても良い。   Also, since the inside of the device substrate is sealed in vacuum or in the atmosphere, the device substrate is sealed by inserting a solder ball into the tip of the through hole and melting the solder ball. Is possible. Furthermore, sealing may be performed using a structure that conducts by bonding.

基板間の接合方法も金とシリコンおよび金とすずの共晶を適用して行う共晶接合を適用することができる。   As a bonding method between the substrates, eutectic bonding performed by applying eutectic of gold and silicon and gold and tin can be applied.

前記、デバイス基板は低抵抗のシリコン基板を適用することが好ましく、シリコン材料そのものが電極材料として適用できる。またキャップ基板または電極基板がはじめから接合されているSOI(Silicon on Insulator)基板を適用することも可能である。例えば、電極基板が接合されたSOI基板を用いると、電極基板の表面からデバイス基板に向けて貫通孔を形成するとき、絶縁膜(SiO2等)で、エッチングをストップさせることができる。   The device substrate is preferably a low-resistance silicon substrate, and the silicon material itself can be used as the electrode material. It is also possible to apply an SOI (Silicon on Insulator) substrate to which a cap substrate or an electrode substrate is bonded from the beginning. For example, when an SOI substrate to which an electrode substrate is bonded is used, etching can be stopped with an insulating film (SiO 2 or the like) when a through hole is formed from the surface of the electrode substrate toward the device substrate.

図5の構造ではデバイス基板の構造体7aとの電気的接触部が小さく、かつ、垂直に引き出している点から電極基板に配置された電極パッドを小さくできる。そのため、デバイス全体の寸法を小さくできることが可能で、1枚のウエハから取り出せる数も増えることから低コスト化につながる。   In the structure shown in FIG. 5, the electrical contact portion with the structure 7a of the device substrate is small, and the electrode pad disposed on the electrode substrate can be made small in that it is drawn out vertically. Therefore, it is possible to reduce the size of the entire device and increase the number of devices that can be taken out from a single wafer, leading to cost reduction.

前記、電極基板では、電極基板の貫通孔周辺部を残して、エッチング加工によって除去し、貫通孔周辺部だけを飛び出させる構造を形成しても良い。この構造では、デバイス基板とのギャップを容易に作りこむことが可能となる。これにより、センサに対するギャップを作りこむことができる。
次に本発明と従来例との構造的な差異について説明する。
In the electrode substrate, a structure may be formed in which the peripheral portion of the through hole of the electrode substrate is left and removed by etching, and only the peripheral portion of the through hole is protruded. With this structure, a gap with the device substrate can be easily created. Thereby, a gap for the sensor can be created.
Next, the structural difference between the present invention and the conventional example will be described.

次にシリコンの異方性ウエットエッチング法を適用した従来の配線引き出しについて図8を用いて説明する。図8のデバイス基板7およびキャップ基板8は図5の構造と同様である。電極基板19にはシリコンの異方性ウエットエッチングを用いて斜面からなるシリコン異方性エッチング孔が形成されている。この構造では開口部から斜面が広がっており、金属配線はスパッタ装置もしくは蒸着装置で形成することが可能である。シリコン異方性エッチング孔の開口部の幅は、結晶方位の関係から、電極基板の厚さの約1.4倍となることから広く形成される。電極パッドの面積も入れると、電極基板の寸法はさらに大きくしなければならず、前記、シリコン異方性エッチング孔による電極引き出し構造では小型化は困難である。   Next, a conventional wiring lead to which the anisotropic wet etching method of silicon is applied will be described with reference to FIG. The device substrate 7 and the cap substrate 8 in FIG. 8 are the same as the structure in FIG. The electrode substrate 19 is formed with silicon anisotropic etching holes made of inclined surfaces by using anisotropic wet etching of silicon. In this structure, the slope extends from the opening, and the metal wiring can be formed by a sputtering apparatus or a vapor deposition apparatus. The width of the opening portion of the silicon anisotropic etching hole is widely formed because it is about 1.4 times the thickness of the electrode substrate because of the crystal orientation. If the area of the electrode pad is included, the size of the electrode substrate must be further increased, and it is difficult to reduce the size of the electrode lead-out structure using the silicon anisotropic etching hole.

また、デバイス基板からの電気的信号の引き出しに、シリコンのドライエッチング法を適用した従来技術について図9を用いて説明する。図9のデバイス基板7およびキャップ基板8は図5の構造と同様である。電極基板19に形成された垂直なドライエッチング孔は内部が導体部20によって埋め込まれている構造が一般的である。これは高アスペクト比の溝に金属配線を形成しようとしても孔の底辺の角部において、断線するためである。すなわち、立体角の影響で、孔入口の角部がスパッタ時のイオンの流入を阻害するために、孔底面近傍の側壁には金属材料の形成が困難となる。   Further, a conventional technique in which a silicon dry etching method is applied to lead out an electrical signal from a device substrate will be described with reference to FIG. The device substrate 7 and the cap substrate 8 in FIG. 9 are the same as the structure in FIG. The vertical dry etching hole formed in the electrode substrate 19 generally has a structure in which the inside is filled with a conductor portion 20. This is because, even if a metal wiring is to be formed in a high aspect ratio groove, it is broken at the corner of the bottom of the hole. That is, due to the effect of the solid angle, the corner of the hole entrance hinders the inflow of ions during sputtering, making it difficult to form a metal material on the side wall near the hole bottom.

また、デバイス基板の内部を任意の圧力に調整する場合にも、ドライエッチング孔では孔径が大きいため、配線材料だけで封止することは困難となる。そのため、通常はドライエッチングによって形成した孔は、導体によって埋め込まれている場合が多い。   Even when the inside of the device substrate is adjusted to an arbitrary pressure, since the hole diameter is large in the dry etching hole, it is difficult to seal only with the wiring material. For this reason, usually, the hole formed by dry etching is often filled with a conductor.

また、ドライエッチング孔ではアスペクト比の関係から電極基板を厚く形成できない制約も生じる。高アスペクト比の加工が可能なドライエッチング法を適用しても、加工が可能なアスペクト比は20程度であると言われている。すなわち、電極基板に形成する孔径を10μmとしても、電極基板の厚さは200μmが限界となる。   In addition, the dry etching hole has a limitation that the electrode substrate cannot be formed thick due to the aspect ratio. Even if a dry etching method capable of processing at a high aspect ratio is applied, the aspect ratio that can be processed is said to be about 20. That is, even if the hole diameter formed in the electrode substrate is 10 μm, the thickness of the electrode substrate is limited to 200 μm.

一方、MEMSデバイスではセンサー構造体を制御するために、制御用LSIとワイヤボンディングによって接続し、最終的に樹脂などによってパッケージされ、製品化されている。その場合、電極基板の厚さが薄いとパッケージされた後に外部雰囲気の影響による樹脂の変形などによって、センサーが誤動作することが考えられる。   On the other hand, in order to control the sensor structure in the MEMS device, it is connected to the control LSI by wire bonding, and finally packaged with a resin or the like and commercialized. In that case, if the electrode substrate is thin, the sensor may malfunction due to deformation of the resin due to the influence of the external atmosphere after packaging.

本発明では、ドライエッチングによる孔の形成に続いて異方性ウエットエッチングを実施するので、さらに電極基板を厚くすることができる。また、図6に示すように、本発明の電極基板を重ねることによって、電極基板をさらに厚く形成することが可能である。   In the present invention, anisotropic wet etching is performed following the formation of holes by dry etching, so that the electrode substrate can be further thickened. In addition, as shown in FIG. 6, the electrode substrate of the present invention can be stacked to form a thicker electrode substrate.

図6は、本発明の別の実施例のMEMSデバイスのデバイス構造を説明する断面図である。図6の実施例では、電極基板19aおよび19bの貫通孔2が上下に反転して配置した構成としたものである。   FIG. 6 is a cross-sectional view illustrating the device structure of a MEMS device according to another embodiment of the present invention. In the embodiment of FIG. 6, the through holes 2 of the electrode substrates 19a and 19b are arranged upside down.

図6の電気的な取り出しはデバイス基板7の構造体7aは、電極基板19aの裏面側に配置された金属配線9bと接触しており、電極基板19aの貫通孔側面に形成された金属配線を通じて、電極基板19bの貫通孔に形成された金属配線9aにつながっている。電極基板9aおよび9bは接合層11によって電気的な導通を得ており、結果的にデバイス基板7から電極基板19bの表面に形成された電極パッド10まで電気的につなげることが可能となる。   In the electrical extraction of FIG. 6, the structure 7a of the device substrate 7 is in contact with the metal wiring 9b disposed on the back side of the electrode substrate 19a, and through the metal wiring formed on the side surface of the through hole of the electrode substrate 19a. The metal wiring 9a is formed in the through hole of the electrode substrate 19b. The electrode substrates 9a and 9b are electrically connected by the bonding layer 11, and as a result, it is possible to electrically connect from the device substrate 7 to the electrode pad 10 formed on the surface of the electrode substrate 19b.

また、電極基板9bの金属配線の出口は電極パッドの面積が小さくなり、センサーデバイス全体の小型化が可能となる。さらに、電極基板の厚さを任意に厚く形成できる構造を提供できる。これにより、樹脂形成した場合にも外力からデバイス部分を守ることができるため、信頼性に優れたデバイスを提供できる。   In addition, the area of the electrode pad is reduced at the metal wiring outlet of the electrode substrate 9b, and the entire sensor device can be downsized. Furthermore, it is possible to provide a structure in which the electrode substrate can be formed arbitrarily thick. Thereby, even when the resin is formed, the device portion can be protected from an external force, so that a device with excellent reliability can be provided.

このように、図6の実施例のデバイス構造では、電極基板を厚く構成して、MEMSデバイスの強度を高める効果を得ることができる。   As described above, in the device structure of the embodiment of FIG. 6, it is possible to obtain an effect of increasing the strength of the MEMS device by forming the electrode substrate thick.

なお、本発明では対称形の電極基板の組合せだけでなく、電極基板19bの裏面側に任意の配線構造を作りこむことによって、配線の引きまわしによって任意の位置に電極パッドを引き出すことが可能となる。   In the present invention, not only a combination of symmetrical electrode substrates, but also by creating an arbitrary wiring structure on the back side of the electrode substrate 19b, the electrode pad can be drawn to an arbitrary position by extending the wiring. Become.

以上の実施例に示した本発明のデバイス構造は、多種のMEMSデバイスに適用でき、流体デバイスやセンサーデバイスの他に圧力センサー、マイクロミラーなど電気的なやり取りが必要なMEMSデバイスに適用することができる。   The device structure of the present invention shown in the above embodiments can be applied to various MEMS devices, and can be applied to MEMS devices that require electrical exchange such as pressure sensors and micromirrors in addition to fluid devices and sensor devices. it can.

本発明の実施例を説明したが本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能であることは、当業者によって容易に理解されよう。
Although the embodiments of the present invention have been described, the present invention is not limited to the above-described examples, and it is easy for those skilled in the art to make various modifications within the scope of the invention described in the claims. Will be understood.

1…シリコン基板、
2…本発明の貫通孔、
3…貫通孔先端の角度、
4…熱酸化膜、
5…開口部、
6…ドライエッチング溝、
7…デバイス基板、
8…キャップ基板、
9、9a、9b…金属配線、
10…電極パッド、
11…接合層、
12…シリコン異方性エッチング孔、
13…ノズルデバイス、
14…インク槽、
15…ポンプ、
16…インクタンク、
17…圧電素子、
18…インク射出方向、
19、19a、19b…電極基板、
20…導体部
1 ... silicon substrate,
2 ... the through hole of the present invention,
3… An angle at the tip of the through hole,
4 ... thermal oxide film,
5 ... opening,
6… Dry etching groove,
7 ... Device substrate,
8… Cap substrate,
9, 9a, 9b ... metal wiring,
10 ... electrode pad,
11 ... joining layer,
12 ... Silicon anisotropic etching hole,
13… Nozzle device,
14 ... Ink tank,
15 ... pump,
16 ... Ink tank,
17 ... piezoelectric element,
18… Ink ejection direction,
19, 19a, 19b ... electrode substrate,
20… Conductor

Claims (12)

第一の表面と第二の表面を有する一枚の半導体基板と、前記半導体基板中に形成された前記第一の表面から前記第二の表面に至る貫通孔であって、前記第一の表面の開口部からの側面がほぼ垂直面であり、内部において垂直面から連続的に孔径が小さくなって斜面となり、前記第二の表面で側面が前記斜面で開口している垂直孔とを有するデバイス構造を用い、
前記貫通孔に絶縁膜を介して、導電材料からなる電気配線が形成されて配線構造が形成され、配線基板が構成されたことを特徴とするMEMSデバイス。
A semiconductor substrate having a first surface and a second surface, and a through hole extending from the first surface to the second surface formed in the semiconductor substrate, the first surface The side surface from the opening of the device is a substantially vertical surface, and the device has a vertical hole in which the hole diameter continuously decreases from the vertical surface inside and becomes a slope, and the side surface of the second surface opens at the slope. Using structure,
A MEMS device, wherein an electrical wiring made of a conductive material is formed in the through hole through an insulating film to form a wiring structure, thereby forming a wiring board.
請求項1のMEMSデバイスにおいて、センサー部を構成するデバイス基板が前記配線基板と接続され、前記導電材料からなる電気配線が前記デバイス基板の電極に接合され、前記デバイス基板の前記センサー部の信号が前記配線基板を介して取り出されることを特徴とするMEMSデバイス。   2. The MEMS device according to claim 1, wherein a device substrate constituting a sensor unit is connected to the wiring substrate, an electrical wiring made of the conductive material is bonded to an electrode of the device substrate, and a signal of the sensor unit of the device substrate is transmitted. A MEMS device which is taken out through the wiring board. 請求項2のMEMSデバイスにおいて、前記配線基板が第一の配線基板と第二の配線基板を含む少なくとも2個積層されて設けられ、第一の電極基板の電気配線と第二の電極基板の電気配線が接合されており、前記第一の配線基板と前記第二の配線基板を介して前記デバイス基板の前記センサー部の信号が取り出されることを特徴とするMEMSデバイス。   3. The MEMS device according to claim 2, wherein at least two of the wiring boards including the first wiring board and the second wiring board are stacked, and the electric wiring of the first electrode board and the electric power of the second electrode board are provided. A MEMS device, wherein wiring is joined, and a signal of the sensor section of the device substrate is taken out via the first wiring substrate and the second wiring substrate. 請求項1のMEMSデバイスにおいて、前記貫通孔の底部ははんだによって封止されていることを特徴とするMEMSデバイス。   The MEMS device according to claim 1, wherein the bottom of the through hole is sealed with solder. 請求項1のMEMSデバイスにおいて、前記貫通孔の底部周辺部は、金とすずの合金層からなる接合材料によって形成されていることを特徴とするMEMSデバイス。   The MEMS device according to claim 1, wherein the bottom peripheral portion of the through hole is formed of a bonding material made of an alloy layer of gold and tin. 請求項1乃至5のいずれか一項に記載のMEMSデバイスにおいて、前記半導体基板は前記第一の表面を(100)面とするシリコン基板であり、前記垂直面が()面、前記斜面が(111)面であることを特徴とするMEMSデバイス。 6. The MEMS device according to claim 1, wherein the semiconductor substrate is a silicon substrate having the first surface as a (100) plane, and the vertical plane is a ( 0 1 1 ) plane, A MEMS device, wherein the slope is a (111) plane. 第一の表面と第二の表面を有する一枚の半導体基板と、前記半導体基板中に形成された前記第一の表面から前記第二の表面に至る貫通孔であって、前記第一の表面の開口部からの側面がほぼ垂直面であり、底部近傍において垂直面から連続的に孔径が小さくなって斜面となり、前記第二の表面で側面が前記斜面で開口し、該開口部の斜面と前記第二の表面との角度が54.7度となっている貫通孔とを有するデバイス構造を用い、
前記貫通孔に絶縁膜を介して、導電材料からなる電気配線が形成されて配線構造が形成され、配線基板が構成されたことを特徴とするMEMSデバイス。
A semiconductor substrate having a first surface and a second surface, and a through hole extending from the first surface to the second surface formed in the semiconductor substrate, the first surface The side surface from the opening of the second surface is a substantially vertical surface, the hole diameter continuously decreases from the vertical surface in the vicinity of the bottom to form a slope, and the side surface of the second surface opens at the slope, and the slope of the opening Using a device structure having a through-hole having an angle with the second surface of 54.7 degrees,
A MEMS device, wherein an electrical wiring made of a conductive material is formed in the through hole through an insulating film to form a wiring structure, thereby forming a wiring board.
請求項7のMEMSデバイスにおいて、前記半導体基板は前記第一の表面を(100)面とするシリコン基板であり、前記垂直面が()面、前記底部近傍の前記斜面が(111)面であることを特徴とするMEMSデバイス。 8. The MEMS device according to claim 7, wherein the semiconductor substrate is a silicon substrate having the first surface as a (100) plane, the vertical plane is a ( 0 1 1 ) plane, and the slope near the bottom is (111). A MEMS device characterized by being a surface. (100)結晶面を主表面に有する一枚のシリコン基板の第一の表面にマスクパターンを配置する工程と、該マスクパターンを介して、ドライエッチング加工によって任意の深さまでエッチング加工を行い、垂直孔を形成する工程と、該垂直孔に対して異方性ウエットエッチング加工を行い、内部において前記垂直孔から連続的に孔径が小さくなって側面が斜面となり、第二の表面で側面が前記斜面で開口し、底部近傍に斜面に囲まれた連通孔を形成する工程とを有する垂直孔製造工程により、前記シリコン基板に貫通孔を有するデバイス構造を製作し、
前記貫通孔に絶縁膜を介して、導電材料からなる電気配線が形成されて配線構造が形成され、配線基板が構成されることを特徴とするMEMSデバイスの製造方法。
(100) A step of disposing a mask pattern on the first surface of a single silicon substrate having a crystal plane as a main surface, and through the mask pattern, etching is performed to an arbitrary depth by dry etching, and the vertical A step of forming a hole, and anisotropic wet etching is performed on the vertical hole, the inside diameter of the hole is continuously reduced from the vertical hole, and the side surface becomes an inclined surface, and the side surface of the second surface is the inclined surface And manufacturing a device structure having a through-hole in the silicon substrate by a vertical hole manufacturing step having a step of forming a communication hole surrounded by a slope in the vicinity of the bottom,
A method of manufacturing a MEMS device, wherein an electrical wiring made of a conductive material is formed in the through hole through an insulating film to form a wiring structure, thereby forming a wiring board.
請求項9のMEMSデバイスの製造方法において、前記マスクパターンは任意の寸法の四角形パターンであり、当該マスクパターンを介してドライエッチング加工によって任意の深さまで四角形パターンのエッチング加工を行い前記垂直孔を形成する工程と、該垂直孔に対してイソプロピルアルコールが混合されたアルカリ系エッチング液によってエッチング加工を行い前記斜面に囲まれた連通孔を形成する工程とを有することを特徴とするMEMSデバイスの製造方法。   10. The method of manufacturing a MEMS device according to claim 9, wherein the mask pattern is a square pattern having an arbitrary dimension, and the vertical hole is formed by etching the square pattern to an arbitrary depth by dry etching through the mask pattern. And a process for forming a communication hole surrounded by the inclined surface by etching with an alkaline etching solution in which isopropyl alcohol is mixed with the vertical hole. . 請求項10のMEMSデバイスの製造方法において、前記異方性ウエットエッチング加工はイソプロピルアルコールが混合された水酸化カリウム水溶液によってエッチング加工を行う工程であることを特徴とするMEMSデバイスの製造方法。   11. The method of manufacturing a MEMS device according to claim 10, wherein the anisotropic wet etching process is a process of performing an etching process using a potassium hydroxide aqueous solution mixed with isopropyl alcohol. 請求項10のMEMSデバイスの製造方法において、前記異方性ウエットエッチング加工はイソプロピルアルコールが過飽和に混合された水酸化カリウム水溶液によってエッチング加工を行う工程であることを特徴とするMEMSデバイスの製造方法。   The method for manufacturing a MEMS device according to claim 10, wherein the anisotropic wet etching process is a process of performing an etching process using a potassium hydroxide aqueous solution in which isopropyl alcohol is supersaturated.
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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9630831B1 (en) * 2015-10-15 2017-04-25 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Ltd. Semiconductor sensing structure
US9567208B1 (en) 2015-11-06 2017-02-14 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company Ltd. Semiconductor device and method for fabricating the same
JP6708015B2 (en) * 2016-06-27 2020-06-10 セイコーエプソン株式会社 MEMS device, liquid ejecting head, liquid ejecting apparatus, and method for manufacturing MEMS device
CN105967140B (en) * 2016-07-27 2017-08-25 上海华虹宏力半导体制造有限公司 Utilize the method for poly-SiGe through hole formation MEMS wafer electrical connection
KR102544057B1 (en) * 2018-09-14 2023-06-16 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드 Methods for forming nanopores and resulting structures
CN110683507B (en) * 2019-08-27 2023-05-26 华东光电集成器件研究所 Anti-interference MEMS device
DE102021105577A1 (en) * 2020-03-27 2021-09-30 Taiwan Semiconductor Manufacturing Co., Ltd. MICROELECTROMECHANICAL SYSTEM AND METHOD FOR MANUFACTURING IT
US11851321B2 (en) 2021-03-01 2023-12-26 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Micro-electro mechanical system and manufacturing method thereof
EP4316855A4 (en) * 2021-03-31 2024-05-22 Konica Minolta, Inc. Nozzle plate production method, nozzle plate, and fluid discharge head

Family Cites Families (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3122857B2 (en) * 1992-01-20 2001-01-09 株式会社日立製作所 Apparatus and method for etching semiconductor substrate
KR100499118B1 (en) 2000-02-24 2005-07-04 삼성전자주식회사 Monolithic fluidic nozzle assembly using mono-crystalline silicon wafer and method for manufacturing the same
JP2003236797A (en) * 2002-02-14 2003-08-26 Ricoh Co Ltd Droplet jetting head, ink cartridge, ink jet recorder, micro actuator, micro pump, and optical device
JP4111105B2 (en) * 2003-09-01 2008-07-02 セイコーエプソン株式会社 Etching equipment
JP4312631B2 (en) * 2004-03-03 2009-08-12 三菱電機株式会社 Wafer level package structure and manufacturing method thereof, and device divided from wafer level package structure
US6930055B1 (en) 2004-05-26 2005-08-16 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Substrates having features formed therein and methods of forming
JP4654458B2 (en) * 2004-12-24 2011-03-23 リコープリンティングシステムズ株式会社 Silicon member anodic bonding method, ink jet head manufacturing method using the same, ink jet head and ink jet recording apparatus using the same
JP5286710B2 (en) 2007-08-10 2013-09-11 セイコーエプソン株式会社 Fine structure forming method and fluid ejecting head manufacturing method
JP5040021B2 (en) 2007-08-31 2012-10-03 セイコーインスツル株式会社 Hermetic package and method for manufacturing hermetic package
JP5169518B2 (en) * 2008-06-18 2013-03-27 セイコーエプソン株式会社 RESONANT CIRCUIT, ITS MANUFACTURING METHOD, AND ELECTRONIC DEVICE
US8035462B2 (en) 2008-06-18 2011-10-11 Seiko Epson Corporation Resonant circuit, method of producing same, and electronic device
JP4726927B2 (en) * 2008-06-19 2011-07-20 株式会社日立製作所 Integrated microelectromechanical system and manufacturing method thereof
US8742588B2 (en) * 2008-10-15 2014-06-03 ÅAC Microtec AB Method for making via interconnection
JP5283647B2 (en) * 2010-03-03 2013-09-04 富士フイルム株式会社 Pattern transfer method and pattern transfer apparatus
JP5273073B2 (en) * 2010-03-15 2013-08-28 オムロン株式会社 Electrode structure and micro device package having the electrode structure

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